DE4001657A1

DE4001657A1 - Position measurement arrangement measures earth's magnetic field - uses high permeability annular element in toroid carrying stimulation and receiving coils

Info

Publication number: DE4001657A1
Application number: DE19904001657
Authority: DE
Inventors: Carl Steiner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1990-01-18
Publication date: 1991-07-25
Also published as: DE4001657C2

Abstract

The arrangement for measuring positions on the Earth by measuring the Earth's magnetic field consists of a magnetic field probe with a horizontally mounted annular high permeability element (12), stimulation coils (13-16), corresp. receiver coils (18,19) and a measurement and evaluation device. The annular element is arranged to float but not rotate in a hermetically sealed toroid half filled with liq. The stimulation coils are distributed around the toroid enclosing its circumference. The receiver coils enclose it diametrically. USE/ADVANTAGE - Enables high accuracy and reliability measurement of position at minimal cost.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to Preamble of claim 1.

Eine solche Vorrichtung ist grundsätzlich bereits aus der EP-PS 00 59 770 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung weist vier achssymmetrisch angeordnete Abgriffspulen (Empfangsspulen) und eine Erregerspule auf. Der Spulen körper besteht aus einem hochfesten, nicht magnetischen Kunststoff und ist kardanisch gelagert. Ein in dieser Weise gelagertes Element reagiert relativ träge, ist rei bungsbehaftet und weist darüber hinaus eine bestimmte Ei genfrequenz auf. Sobald das Element in Eigenfrequenz er regt wird, ist eine aussagekräftige Messung nicht mehr möglich.Such a device is basically already out EP-PS 00 59 770 known. This known device has four axially symmetrical tapping coils (Receiving coils) and an excitation coil. The coils body consists of a high-strength, non-magnetic Plastic and is gimbal mounted. One in this Element stored in this way reacts relatively sluggishly, is free malignant and also exhibits a certain egg frequency. Once the element is at natural frequency he meaningful measurement is no longer meaningful possible.

Aus der DE-AS 17 73 303 ist eine andere Vorrichtung be kannt, bei der der Kern von einer gleichmäßig um diesen gewickelten Erregerspule umgeben ist, welche mittels ei ner periodischen Spannung bzw. eines periodischen Stroms derart angesteuert wird, daß der Kern weit genug in den Sättigungsbereich gesteuert wird. Die vier Empfangsspu len sind über den Umfang um jeweils 90 Grad versetzt an geordnet, wobei die einander diametral gegenüberliegen den Empfangsspulen gegeneinandergeschaltet sind. Durch Differenzbildung in den Empfangsspulenpaaren hebt sich in diesen grundsätzlich die transformierte Spannung auf. Ein externes Magnetfeld, insbesondere die Horizontal komponente des Erdmagnetfeldes, bewirkt jedoch eine Ver schiebung des Arbeitspunktes auf der Magnetisierungskenn linie. Daraus resultiert eine Phasenverschiebung, die ei nen sich nicht aufhebenden Spannungsanteil verursacht. Dieser besteht im wesentlichen aus Harmonischen gerader Ordnung der Erregerfrequenz, wobei deren Amplituden dem externen Magnetfeld proportional sind. In der mit dem Empfangsspulen verbundenen Auswerteschaltung wird zweck mäßigerweise die zweite Harmonische ausgewertet, um ein der Richtung des externen Magnetfeldes entsprechendes Si gnal zu erzeugen. Diese Vorrichtung ist infolge von Inho mogenitäten und Unsymmetrien im Kern und in den Spulen für exaktere Messungen nicht geeignet. Sie weist außer dem eine Vielzahl von Bauelementen auf und ist daher recht aufwendig.From DE-AS 17 73 303 another device be knows the core of an evenly around this wrapped excitation coil is surrounded, which by means of egg ner periodic voltage or a periodic current is controlled in such a way that the core extends far enough into the Saturation range is controlled. The four reception track len are offset by 90 degrees around the circumference ordered, the diametrically opposite each other the reception coils are connected to each other. By Difference formation in the receiver coil pairs increases basically the transformed voltage in them. An external magnetic field, especially the horizontal component of the earth's magnetic field, but causes a ver shift of the working point on the magnetization characteristic line. This results in a phase shift, the egg causes non-canceling voltage component. This essentially consists of even harmonics Order of the excitation frequency, the amplitudes of which external magnetic field are proportional. In the with the The evaluation circuit connected to reception coils is used moderately evaluated the second harmonic to a Si corresponding to the direction of the external magnetic field generate gnal. This device is due to Inho homogeneities and asymmetries in the core and in the coils not suitable for more precise measurements. She points out a variety of components and is therefore quite complex.

Aus der DE-OS 30 12 241 ist eine weitere Vorrichtung zur Messung eines Magnetfeldes bekannt, bei der ein flüssig keitsgelagerter Schwimmer zur Anwendung kommt, der über einen in einer horizontalen Ebene liegenden Lagerzapfen schwenkbar ist. Der Lagerzapfen ruht in einer umlaufen den Führungsnut, so daß der Schwimmer auch eine Drehbewe gung ausführen kann. Eine feste Zuordnung des Schwimmers zu einer bestimmten Ausrichtung des Gehäuses ist damit nicht gewährleistet.From DE-OS 30 12 241 another device for Measurement of a magnetic field known in which a liquid mounted float is used, which over a journal lying in a horizontal plane is pivotable. The trunnion rests in one round the guide groove, so that the float can also turn can perform. A fixed assignment of the swimmer to a certain orientation of the housing not guaranteed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei mög lichst geringem Aufwand eine Messung von großer Zuverläs sigkeit und Genauigkeit liefert.The invention has for its object a Vorrich tion of the type mentioned at the outset, which is possible with measurement of great reliability with the least effort provides accuracy and accuracy.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. This problem is solved by the features of Claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter ansprüchen.Advantageous further developments result from the sub claims.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beispielsweise erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the Drawing figures explained for example. Show it:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Vorrichtung zur Messung des Magnetfeldes, Fig. 1 is a plan view of the apparatus for measuring the magnetic field,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 shows a cross section through the device of FIG. 1 and

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verknüpfung der einzelnen Teile der Vorrichtung untereinan der. Fig. 3 is a schematic representation of the link between the individual parts of the device.

Der in Fig. 1 in der Draufsicht dargestellte, nach außen hermetisch abgeschlossene Toroid 10 wird in einem nicht dargestellten Fernglas so angeordnet, daß er mit seiner Hauptebene in etwa waagerecht liegt und ist in seinem In neren teilweise mit einer möglichst niederviskosen Flüs sigkeit 11 gefüllt. Die Füllung entspricht vorzugsweise dem halben Toroid-Volumen. Durch die geringe Viskosität der Flüssigkeit wird eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und eine geringe Neigung zur Blasenbildung gewährlei stet. Auf der Flüssigkeit schwimmt ein ringförmiges Ele ment 12 aus hochpermeablem Material, das auch mit einem Kunststoffmantel umgeben sein kann. Da der Toroid stets in einer im wesentlichen horizontalen Ebene gehalten wird und die Oberfläche der Flüssigkeit 11 sich selbst tätig horizontal ausrichtet, ist eine waagerechte Lage des ringförmigen Elements 12 sichergestellt. Dies ist Voraussetzung dafür, daß tatsächlich die horizontale Komponente des Erd-Magnetfeldes gemessen wird. Erreger spulen 13, 14, 15 und 16 umgeben den Querschnitt des To roids 10. Sie sind jeweils um 90 Grad gegeneinander ver setzt gleichmäßig über den Umfang des Toroids 10 ver teilt angeordnet und elektrisch so hintereinandergeschal tet, daß sie im ringförmigen Element 12 ein in sich ge schlossenes magnetisches Feld einheitlicher Richtung (beispielsweise im Uhrzeigersinn) erzeugen. Diesem so er zeugtem magnetischen Feld überlagert sich das externe ma gnetische Feld, das Erd-Magnetfeld, beispielsweise in Richtung des Pfeils 17 mit der Folge, daß im linken Teil des Toroids 10, d. h. im von der Erregerspule 15 umfaßten Querschnitt, sich erregtes Magnetfeld und Erd-Magnetfeld subtrahieren und im rechten Teil, d. h. im von der Erre gerspule 13 umfaßten Querschnitt, sich erregtes Magnet feld und Erd-Magnetfeld addieren. Daraus resultieren ent sprechende transformierte Spannungen und Ströme in den Empfangsspulen 18 und 19, die den Toroid 10 diamentral umfassen.The illustrated in Fig. 1 in a plan view, outwardly hermetically sealed toroid 10 is disposed in an unillustrated binoculars so that it is horizontal with its main plane in about and is Neren in its partially sigkeit with a low viscosity as possible flues filled. 11 The filling preferably corresponds to half the volume of the toroid. The low viscosity of the liquid ensures a high reaction rate and a low tendency to form bubbles. An annular element 12 made of highly permeable material, which can also be surrounded by a plastic jacket, floats on the liquid. Since the toroid is always kept in a substantially horizontal plane and the surface of the liquid 11 is actively horizontally aligned, a horizontal position of the annular element 12 is ensured. This is a prerequisite for actually measuring the horizontal component of the earth's magnetic field. Excitation coils 13 , 14 , 15 and 16 surround the cross-section of the To roids 10th They are each 90 degrees against each other ver is evenly distributed over the circumference of the toroid 10 and arranged electrically in series so that they generate a self-contained magnetic field in a uniform direction (for example clockwise) in the annular element 12 . This so he produces the magnetic field superimposed on the external magnetic field, the earth's magnetic field, for example in the direction of arrow 17 with the result that in the left part of the toroid 10 , ie in the cross section encompassed by the excitation coil 15 , excited magnetic field and Subtract the earth's magnetic field and add in the right part, ie in the cross-section encompassed by the excitation coil 13 , the excited magnetic field and the earth's magnetic field. This results in corresponding transformed voltages and currents in the receiving coils 18 and 19 , which include the toroid 10 diametrically.

Die Aussteuerung der Erregerspulen 13 bis 16 erfolgt bis in den Bereich der Sättigung. Durch Differenzbildung in den Empfangsspulen 18, 19 hebt sich die in diesen indu zierte Spannung grundsätzlich auf. Das externe Magnet feld, also in diesem Fall das Erd-Magnetfeld in Richtung des Pfeiles 17, bewirkt jedoch eine Verschiebung des Ar beitspunktes auf der Magnetisierungskennlinie. Dies wie derum hat eine Phasenverschiebung zur Folge, aus der sich ein nicht kompensierter Spannungsanteil ergibt mit im wesentlichen Harmonischen gerader Ordnung der Eigen frequenz. Die Amplituden sind dem externen Magnetfeld, also dem Erd-Magnetfeld proportional.The excitation coils 13 to 16 are driven up to the saturation range. By forming the difference in the receiving coils 18 , 19 , the voltage induced in them is basically canceled out. The external magnetic field, so in this case the earth's magnetic field in the direction of arrow 17 , causes a shift of the working point on the magnetization characteristic. This, in turn, results in a phase shift, from which an uncompensated voltage component results with an essentially harmonic even order of the natural frequency. The amplitudes are proportional to the external magnetic field, i.e. the earth's magnetic field.

Zur Auswertung wird vorzugsweise die zweite Harmonische herangezogen, um ein der Richtung des externen Magnetfel des entsprechendes Signal zu erzeugen.The second harmonic is preferably used for evaluation used to determine the direction of the external magnetic field to generate the corresponding signal.

Die Versatzwinkel der Erregerspulen 13 bis 16 und der Empfangsspulen 18 und 19 untereinander betragen bei der in den Figuren dargestellten Anzahl von vier Erregerspu len 13 bis 16 und zwei Empfangsspulen 18 und 19 unterein ander jeweils 90 Grad. Die Spulen der einen Art sind ge genüber den Spulen der anderen Art um 45 Grad gegeneinan der versetzt.The offset angles of the excitation coils 13 to 16 and the receiving coils 18 and 19 with each other in the number of four excitation coils 13 to 16 and two receiving coils 18 and 19 shown in the figures are 90 degrees among each other. The coils of one type are offset by 45 degrees relative to the coils of the other type.

Bei abweichender Anzahl von Spulen ändern sich verständ licherweise auch die Winkel.If the number of coils differs, understandably the angles, too.

Das ringförmige Element 12 aus hochpermeablem Material wird bei Bedarf mit einem Kunststoffmantel umgeben, um die Schwimmfähigkeit des ringförmigen Elements 12 zu ge währleisten und das Gleiten auf der lnnenwandung des To roids 10 zu verbessern.The annular element 12 made of highly permeable material is, if necessary, surrounded with a plastic jacket in order to ensure the floatability of the annular element 12 and to improve the sliding on the inner wall of the tooid 10 .

Bei einem Verdrehen des ringförmigen Elements 12 im Uhr zeiger- oder im Gegenuhrzeigersinn könnten Inhomogenitä ten zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen. Aus die sem Grunde wird das ringförmige Element 12 bei Bedarf ge gen Verdrehung gesichert. Dies erfolgt über eine Füh rungsnut in der Ummantelung des ringförmigen Elements 12 und einen entsprechenden Vorsprung im Toroid 10 oder um gekehrt.If the ring-shaped element 12 is rotated clockwise or counterclockwise, inhomogeneities could lead to falsifications of the measurement result. For this reason, the annular element 12 is secured against rotation if necessary. This is done via a guide groove in the casing of the annular element 12 and a corresponding projection in the toroid 10 or vice versa.

Die Meßergebnisse werden einer Auswerteeinrichtung zuge führt. Dies kann ein Mikroprozessor sein, der eine Viel zahl von Messungen in schneller zeitlicher Folge er laubt. Dabei kann es sich entweder um eine Vielzahl von Messungen mit unterschiedlicher Zielrichtung des Ferngla ses oder aber auch um eine Vielzahl von Messungen mit gleicher Zielrichtung des Fernglases handeln. Bei Posi tionsmessungen vom schwankenden Objekt aus, beispielswei se von einen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug (z. B. bei Wellengang), kann dann mit Hilfe des Mikroprozessors aus der Vielzahl der Einzelmessungen ein Mittelwert - mit naturgemäß höherer Genauigkeit - gebildet und abgespei chert werden.The measurement results are supplied to an evaluation device leads. This can be a microprocessor that has a lot number of measurements in quick succession leaves. This can either be a variety of Measurements with different directions of the Ferngla or a variety of measurements act in the same direction as the binoculars. At Posi tion measurements from the fluctuating object, for example from a land, air or water vehicle (e.g. at Swell), can then be made using the microprocessor an average of the multitude of individual measurements - with naturally higher accuracy - formed and spewed be saved.

Die abgespeicherten Einzelmeßwerte oder gemittelten Meß werte können zu gegebener Zeit aus ihren Speicherplätzen abgerufen und auf einem Display angezeigt werden. Damit entfällt die Notwendigkeit umständlicher handschriftli cher Notizen während der Positionsmessungen unter mögli cherweise ungünstigen Wind- und Wetterverhältnissen.The stored individual measurement values or averaged measurement values can be saved from their memory at the appropriate time called up and shown on a display. In order to eliminates the need for cumbersome handwriting Notes during the position measurements under possible unfavorable wind and weather conditions.

Die gesamte Elektronik kann auf einer relativ kleinen Platine untergebracht werden, die oberhalb des üblichen Fernglasaufbaus angeordnet wird.All electronics can be on a relatively small Circuit board housed above the usual Binocular construction is arranged.

Konventionelle Peilferngläser benötigen beträchtliche Ausschwingzeiten bevor eine Messung durchgeführt werden kann. Mit der oben beschriebenen Vorrichtung verkürzen sich diese Zeiten ganz erheblich.Conventional direction finders need considerable Decay times before a measurement is carried out can. Shorten with the device described above these times quite significantly.

Für die Peilung wird das Fernglas mit einer an sich be kannten Strichplatte versehen.For the bearing, the binoculars are with a be known reticule.

Deklinationsfehler werden durch entsprechende Program mierung softwaremäßig kompensiert, und zwar durch Einga be eines dem jeweiligen Standpunkt auf der Erde entspre chenden Korrekturwerts, der einschlägigen Karten entnom men werden kann.Declination errors are identified by appropriate programs The software compensated for this, by means of input be one according to the respective point of view on earth appropriate correction value, from the relevant maps men can be.

Zum Setzen der Deklination wird eine Taste gedrückt. Bei beispielsweise 10 Grad östlicher Deklination dreht sich der Peilende bei gedrückter Taste so weit nach rechts bis er die Anzeige 10 abliest. Bei zum Beispiel 20 Grad westlicher Deklination dreht er sich bei gedrückter Taste so weit nach links bis die Anzeige 340 Grad (360-20 Grad) erscheint. Anschließend gibt er die Taste wie der frei. Der jeweils abgespeicherte Deklinationswert wird auf einem speziellen Speicherplatz abgespeichert und kann als solcher auf Wunsch angezeigt werden.A key is pressed to set the declination. At for example, 10 degrees east of declination rotates the end of the bearing with the button pressed as far to the right until he reads the display 10. For example 20 degrees western declination he turns while holding Left button until the display shows 340 degrees (360-20 degrees) appears. Then he gives the button like the free. The declination value saved in each case is saved in a special storage space and can be displayed as such on request.

Zum Ausgleich der Inklinationsfehler werden bisher unter schiedlich ausbalancierte Fluidkapseln verwendet. Für den Anwender bedeutet dies, daß er zur Benutzung des Fernglases in einer anderen Zone der Erde auch eine ande re Fluidkapsel benötigt. Diesen Austausch kann normaler weise nur der Hersteller durchführen. Im zuvor beschrie benen elektronischen System treten Inklinationsfehler nicht auf.To compensate for the inclination errors are so far under differently balanced fluid capsules used. For this means that the user is required to use the Another pair of binoculars in another zone of the world re fluid capsule needed. This exchange can be more normal only carry out the manufacturer. Previously described Inclination errors occur in the electronic system not on.

Das Peilfernglas wird mit handelsüblichen Batterien be trieben. Um die Energiequellen nicht unnötig in Anspruch zu nehmen, schaltet sich das Gerät nach einer vorgegebe nen Zeit der Nichtbenutzung selbsttätig aus.The DF binoculars are loaded with standard batteries driven. To not use the energy sources unnecessarily to take, the device turns on after a given time of non-use.

Etwaige Fehler im System und unzureichender Ladezustand der Batterien können jeweils während der Einschaltphase angezeigt werden.Any errors in the system and insufficient charge status the batteries can be used during the switch-on phase are displayed.

Die gemessenen bzw. abgespeicherten und abgerufenen Wer te werden bei Bedarf über ein LED-Display 23 (Fig. 3) an gezeigt und in den Strahlengang des Fernglases eingespie gelt. Ggfs. kann das LED-Display auch direkt im Strahlen gang des Fernglases eingebaut werden. Die Leuchtstärke kann nach der Helligkeit der Umgebung, d. h. nach dem durch das Objektiv einfallenden Licht, gesteuert werden, um unerwünschte Blendeffekte in der Nacht bzw. in der Dämmerung zu vermeiden.The measured or stored and retrieved values are shown on an LED display 23 ( FIG. 3) if necessary and are injected into the beam path of the binoculars. the LED display can also be installed directly in the beam path of the binoculars. The luminosity can be controlled according to the brightness of the surroundings, ie according to the light coming in through the lens, in order to avoid undesired glare effects at night or at dusk.

In Fig. 3 werden die funktionellen Verknüpfungen der einzelnen Teile der Vorrichtung schematisch dargestellt. Vom Magnetfeldsensor 21 werden die gemessenen Werte an einen Mikrocomputer 22 weitergeleitet und verarbeitet sowie ggfs. korrigiert (Kompensation von Deklinations- und Inklinations-Fehlern u. ä.). Die unkorrigierten bzw. korrigierten Werte sowie die etwaigen Vorgaben im Rech nerprogramm können auf dem erwähnten LED-Display 23 an gezeigt werden. Diese Anzeige wird in den Strahlengang des Fernglases eingespiegelt, sofern das LED-Display 23 nicht direkt im Strahlengang des Fernglases angeordnet ist. Die jeweils gewünschten Funktionen des Mikrocom puters werden von einem Tastenfeld 25 aus gesteuert.In Fig. 3 the functional links of the individual parts of the device are shown schematically. The measured values are forwarded from the magnetic field sensor 21 to a microcomputer 22 and processed and, if necessary, corrected (compensation of declination and inclination errors and the like). The uncorrected or corrected values and any specifications in the computer program can be shown on the LED display 23 mentioned. This display is reflected in the beam path of the binoculars, provided that the LED display 23 is not arranged directly in the beam path of the binoculars. The desired functions of the Mikrocom computer are controlled from a keypad 25 .

Claims

1.Device for determining the respective position on earth by measuring the earth's magnetic field, consisting best of a magnetic field probe with an annular element held in a horizontal plane made of highly permeable material, excitation coils and associated receiver coils, and a measuring and evaluating device, characterized that the annular element (12) is arranged in a floating of high permeability material, but secured against rotation in an approximately half-filled with a liquid and hermetically abge closed toroid (10), that the exciter coils (13 to 16) to a respective first angle gege neinander uniformly offset about the circumference of the Toro ids (10) are distributed and include the cross-section of the toroid (10) and the receiver coils (18, 19) to each weils a second angular offset from one another uniformly over the circumference of the toroid (10 ) are distributed and enclose the toroid ( 10 ) diametrically .

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the excitation coils ( 13 to 16 ) each offset by a most angle of 90 degrees from each other are evenly distributed over the circumference of the toroid ( 10 ) and the cross section of the toroid ( 10 ) reach around.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the receiver coils ( 18 , 19 ) each offset by a second angle of 90 degrees to the entire toroid ( 10 ) diametrically umgrei fen.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the liquid ( 11 ) in the toroid ( 10 ) is a low-viscosity liquid.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the annular element made of hochper meablem material is surrounded by a plastic jacket.

6. The device according to claim 5, characterized in that the plastic jacket with a guide groove for securing the annular element ( 12 ) is seen ver against rotation.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that excitation coils ( 13 to 16 ) and receiver gerspulen ( 18 , 19 ) are arranged offset to one another.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the receiver coils ( 18 , 19 ) are connected to egg ner measuring and an evaluation circuit.

9. The device according to claim 8, characterized in that the evaluation circuit with a measured value memory connected is.

10. The device according to claim 9, characterized in that the evaluation circuit with an addition to the compensation tion of declination and inclination errors is.

11. The device according to one of claims 1 to 10, there characterized in that the evaluation circuit with egg addition to averaging from a variety of a short time sequence of recorded measured values is provided.